基于柴電推進(jìn)技術(shù)的船舶電網(wǎng)的設(shè)計(jì)

蘇夢(mèng)夢(mèng)+盧黃城+王進(jìn)東

摘要：船舶電網(wǎng)是船舶電力系統(tǒng)中的輸配電裝置，直接影響全船的供電質(zhì)量以及設(shè)備的運(yùn)行安全。柴電推進(jìn)是主流的電力推進(jìn)方案，因此對(duì)于柴電推進(jìn)船舶電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析和研究有著重要意義。本次設(shè)計(jì)主要完成了基于柴電推進(jìn)技術(shù)的船舶電網(wǎng)的設(shè)計(jì)，論文首先分析設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、電機(jī)啟動(dòng)器和器件設(shè)計(jì)所有材料，然后對(duì)設(shè)計(jì)的基本參數(shù)和短路電流進(jìn)行計(jì)算。設(shè)計(jì)屬于船舶電網(wǎng)的初步設(shè)計(jì)，具有一定實(shí)際參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：柴電；船舶；電網(wǎng)；短路電流

船舶航行區(qū)域廣闊特別是遠(yuǎn)洋船舶，其電氣設(shè)備的工作環(huán)境往往比陸用設(shè)備要差，所以對(duì)船舶用電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)要求也往往比陸用電氣設(shè)備要高。在設(shè)計(jì)柴電推進(jìn)系統(tǒng)船舶電網(wǎng)時(shí)，應(yīng)以運(yùn)行連續(xù)性，操作人員高度安全，安裝簡(jiǎn)單、及防腐蝕抗震動(dòng)為主要設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并兼顧較低建造成本，預(yù)留一定擴(kuò)展空間。

電機(jī)起動(dòng)器

所有電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器應(yīng)為能承受高潮濕環(huán)境和船舶振動(dòng)的船用型。功率大于0.5kW的起動(dòng)器均采用接觸器控制形式，控制電壓采用220V。480V主配電網(wǎng)絡(luò)中功率大于55kW小于110kW的電機(jī)采用星三角起動(dòng)，功率110kW及以上的電機(jī)采用軟起動(dòng)形式[1]。

船舶輔助設(shè)備的起動(dòng)器盡可能以組合起動(dòng)單元的形式布置在組合起動(dòng)屏柜內(nèi)。不同的單元之間應(yīng)有良好屏蔽，且具備防弧功能。冗余設(shè)備的電機(jī)起動(dòng)器應(yīng)分別安裝在不同的組合起動(dòng)屏上。采用組合起動(dòng)屏起動(dòng)的電機(jī)配備就地起動(dòng)/停止按鈕和運(yùn)行指示燈，停止按鈕應(yīng)可以鎖定（禁止誤操作），或在電機(jī)附近安裝一個(gè)獨(dú)立的安全開關(guān)。起動(dòng)器應(yīng)包括：塑殼斷路器、接觸器、熱繼電器、起動(dòng)/停止按鈕、用于控制電路的變壓器 400V/220V、運(yùn)行指示燈、電流表、運(yùn)行計(jì)時(shí)器、電機(jī)空間加熱器指示燈和起動(dòng)/停止開關(guān)[4]。

電站、推進(jìn)輔助系統(tǒng)和安保系統(tǒng)電機(jī)，應(yīng)能在集控室進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控。所有重要泵均需要進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，當(dāng)泵出口壓力下降至某一設(shè)定值時(shí)或有電氣故障發(fā)生時(shí)，備用泵應(yīng)具備自動(dòng)起動(dòng)功能；若電網(wǎng)故障消失并恢復(fù)供電后，主電站的輔助泵以及與船舶主推進(jìn)相關(guān)的重要泵應(yīng)按順序重新自起動(dòng)。

控制設(shè)備材料和材質(zhì)

低壓元器件（包括接觸器，繼電器等）采用ABB或西門子等歐洲知名品牌產(chǎn)品。PPU及儀表采用DEIF產(chǎn)品或等同的歐洲知名品牌產(chǎn)品。PLC均采用ABB或西門子等歐洲知名品牌產(chǎn)品。指示燈采用LED。

安裝在室外的接線盒，控制箱及控制箱的殼體和螺栓采用316L不銹鋼，并滿足船級(jí)社規(guī)定的外殼防護(hù)IP等級(jí)要求。

主配電板采用雙層柜體，第一層用于安裝所需要的元器件，第二層上部用于安裝進(jìn)出線母排。母排的材料為銅，所用電線和開關(guān)元器件不含鹵素。主電纜和控制電纜進(jìn)出線位于柜子底部。柜門、柜體和底板采用1.5mm厚的覆鋁鋅鋼板。柜子前后門板都要安裝手柄。

基本參數(shù)

設(shè)備在機(jī)艙的環(huán)境溫度：+50℃

相對(duì)濕度：80%

尺寸單位：國際單位

電制：采用交流480V60Hz 三相三線絕緣系統(tǒng)，220V60Hz單相雙線絕緣系統(tǒng)，24V直流系統(tǒng)。

船舶電網(wǎng)具體負(fù)載電壓要求如下：

推進(jìn)電機(jī)采用變頻驅(qū)動(dòng)交流660V

其他通用交流電動(dòng)機(jī)及風(fēng)機(jī)采用交流480V60Hz

正常照明，應(yīng)急照明等采用交流220V60Hz

助航儀器、內(nèi)部通訊、無線電通信等采用交流220V60Hz和直流24V

臨時(shí)應(yīng)急用電設(shè)備采用直流24V

短路電流計(jì)算

在船舶電力系統(tǒng)中，可能發(fā)生的短路故障有單相短路、兩相短路及三相短路故障等。作為船舶電力系統(tǒng)中最嚴(yán)重的故障，短路故障將直接影響到船舶正常航行，甚至危及人身安全。短路時(shí)供電電壓的大幅降低會(huì)使設(shè)備停止運(yùn)行，同時(shí)巨大的沖擊電流產(chǎn)生的電動(dòng)力和熱效應(yīng)可能造成重要設(shè)備的損壞。嚴(yán)重的短路故障若不及時(shí)切除，有可能使并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)失去同步，破壞并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定性，擴(kuò)大成為系統(tǒng)性事故，以使整個(gè)電力系統(tǒng)失電[3]。

當(dāng)電力系統(tǒng)內(nèi)某一點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)，在短路的瞬時(shí)，接入系統(tǒng)內(nèi)所有運(yùn)行的發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)都是短路電流供給源。為了計(jì)算總短路電流，應(yīng)該對(duì)每個(gè)供給源產(chǎn)生的短路電流分別計(jì)算，然后再將各個(gè)分量進(jìn)行合成或疊加，這是短路電流計(jì)算最基本的方法。

短路電流計(jì)算方法種類繁多，有 IEC 電工委員會(huì)規(guī)范，JP 日本協(xié)同研究會(huì)和 GB 中國國家標(biāo)準(zhǔn)等規(guī)定的計(jì)算方法。各計(jì)算方法雖然在發(fā)電機(jī)繞組電阻和瞬態(tài)短路電流衰減、短路計(jì)算精度以及等效電動(dòng)的合成等方面存在著不同，但究其本質(zhì)而言，所有計(jì)算方法并沒有較大的差別，所基于的原理都是相同的，在下文將對(duì)其部分做簡(jiǎn)要介紹。關(guān)于船舶電力系統(tǒng)的短路電流計(jì)算，現(xiàn)在各大型船級(jí)社都有自己的計(jì)算軟件和計(jì)算修正標(biāo)準(zhǔn)。

本文在此僅介紹短路發(fā)電機(jī)饋送的短路電流以及短路電動(dòng)機(jī)饋送的短路電流的計(jì)算原理。

1.短路發(fā)電機(jī)饋送的短路電流計(jì)算

計(jì)算中使用的參數(shù)包括：Ur--發(fā)電機(jī)額定線電壓；Ir--發(fā)電機(jī)額定電流；Xd”，Xd[--發(fā)電機(jī)直軸超瞬態(tài)和次瞬態(tài)電抗；Ra--發(fā)電機(jī)定子繞組電阻；Ik--發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)短路電流；t--短路時(shí)間；Re”，Te[--發(fā)電機(jī)超瞬態(tài)和次瞬態(tài)時(shí)間常數(shù)；Tde--發(fā)電機(jī)直流時(shí)間常數(shù)；

發(fā)電機(jī)超瞬態(tài)相電動(dòng)勢(shì)Eq”如式1所示：

（1）

發(fā)電機(jī)次瞬態(tài)相電動(dòng)勢(shì)Eq"如式2所示：

（2）

發(fā)電機(jī)超瞬態(tài)短路電流Ik"（忽略電纜的阻抗）如式3所示：

（3）

發(fā)電機(jī)超瞬態(tài)短路電流IK"（忽略電纜的阻抗）如式4所示：

（4）

短路點(diǎn)短路電流的交流分量Igac如式5所示：

（5）

短路點(diǎn)短路電流的直流分量Igdc如式6所示：

（6）

短路發(fā)電機(jī)饋送的峰值短路電流Igp如式7所示：

（7）

2.短路電動(dòng)機(jī)饋送的短路電流計(jì)算

計(jì)算中使用的參數(shù)包括：Ur--電動(dòng)機(jī)額定線電壓；--電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組電阻；--電動(dòng)機(jī)定子繞組電阻；Xm"--電動(dòng)機(jī)直軸超瞬態(tài)電抗；--短路時(shí)間；--電動(dòng)機(jī)超瞬態(tài)時(shí)間常數(shù)；Tde"--電動(dòng)機(jī)超瞬態(tài)直流時(shí)間常數(shù)；

電動(dòng)機(jī)超瞬態(tài)短路電流Im"（忽略電纜的阻抗）如式8所示：

（8）

短路點(diǎn)短路電流的交流分量Imac如式9所示：

（9）

短路點(diǎn)短路電流的直流分量Imdc如式10所示：

（10）

短路電動(dòng)機(jī)饋送的峰值短路電流Imp如式11所示：

（11）

在船舶設(shè)計(jì)的實(shí)際工程應(yīng)用中，通常都是選擇該船舶所入船級(jí)社認(rèn)可的軟件進(jìn)行短路電流計(jì)算。本平臺(tái)供給船入級(jí)ABS美國船級(jí)社（American Bureau of Shipping），采用ABS認(rèn)可的SKM Power Tools仿真軟件進(jìn)行短路電流計(jì)算。

SKM Power Tools是基于 IEC61363標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)出的計(jì)算軟件，強(qiáng)化了發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)短路電流計(jì)算功能，適用于船舶和石油平臺(tái)等此類獨(dú)立電力系統(tǒng)的仿真分析。其軟件內(nèi)的計(jì)算程序在此不再贅述，下面僅研究實(shí)際工程中船舶短路電流的計(jì)算過程和結(jié)果。

首先根據(jù)船級(jí)社相關(guān)規(guī)范要求和系統(tǒng)繼電保護(hù)設(shè)計(jì)的要求，即在進(jìn)行短路點(diǎn)的選取時(shí)應(yīng)使通過所要選擇和校驗(yàn)的電氣設(shè)備的短路電流值達(dá)到最大，結(jié)合平臺(tái)供給船電力系統(tǒng)單線圖，需要計(jì)算以下主要結(jié)點(diǎn)處短路電流：

1.主發(fā)電機(jī)出線端S1；

2.440V/220V配電變壓器二次側(cè) S2；

3.440V應(yīng)急配電板進(jìn)線斷路器輸出側(cè) S3；

4.440V/220V應(yīng)急配電變壓器二次側(cè) S4；

然后根據(jù)軟件操作流程在SKM Power Tools計(jì)算程序中輸入發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器等相關(guān)設(shè)備參數(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]. 趙玲，周徐達(dá)電網(wǎng)諧波濾波新技術(shù)研究上海電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2006（4）.

[2]. 王兆安，楊君，劉進(jìn)軍.諧波抑制和無功補(bǔ)償[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：17-63.

[3]. Alf Kare Adnanes. Maritime Electrical Installations and Diesel-Electric Propulsion[M]. Finland： ABB Oy， 2003.5：12-18